软土地区临近隧道的深大基坑变形控制方法

杨 德 志

(上海申元岩土工程有限公司，上海 200011)

0 引言

近年来，随着城市建设的快速发展，为了满足居民的出行方便，在一、二线城市陆续有设计地铁，地铁沿线有较多的商业建筑建设，为满足商业、停车等用途，设置了多层地下室，相应的基坑开挖较深。这些深基坑的开挖卸载，势必引起周边土体的位移，同时导致地铁隧道的变形，对于软土地区而言，相应的变形影响更为明显[1]，因此，对软土地区临近隧道的深基坑开挖造成的隧道变形影响进行研究，在深基坑设计阶段采取有效的保护措施，具有重要的工程实际意义。

对于上述问题，国内外学者采用理论计算、数值模拟、现场实测等手段开展了大量研究，其中，Dolezalova等[2]采用有限元分析了基坑开挖对临近隧道的影响；李平等[3]采用数值计算手段分析了不同位置关系工况下基坑开挖对隧道变形及受力的影响；姜兆华[4]系统的分析了基坑开挖对临近地铁隧道的影响。

本文以实际工程为背景，通过有限元计算结果与工程现场监测实测结果的对比分析，从设计角度出发，分析了地下连续墙的插入比、被动区加固宽度等因素对地连墙及隧道变形的影响。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

上海市闵行区虹桥镇龙柏社区S110201,S110202单元15-01地块商业综合体项目(简称吴中路项目)位于吴中路以北、虹井路以东，西侧虹井路下伏已运营的地下轨道交通10号线，地下室外墙距离隧道外边线最近处约为20.1 m。整体设二、三层地下室，基坑总面积为4.6万m2，基坑开挖深度10.6 m～14.3 m。为保护轨道交通10号线隧道，采用“大坑划小坑”进行分区施工，其中临近隧道位置的基坑支护方案采用0.8 m厚地下钢筋混凝土连续墙为围护结构；采用内支撑的方式：第一道支撑为钢筋混凝土撑，水平间距6 m；第二、三道支撑采用φ0.609×0.016钢管撑，基坑开挖剖面如图1所示。

1.2 地质条件

根据地质勘察成果，各土层的物理力学指标如表1所示。

表1 土层的物理力学指标

2 数值模拟

2.1 模型假定

采用有限元法建立二维分析模型。分析土体采用岩土工程广为应用的摩尔—库仑模型，围护桩及隧道采用线弹性模型，考虑围护与土体的接触面作用。

Mohr-Coulomb屈服准则是Coulomb摩擦定律在一般应力状态下的推广。实际上，这个准则确保了材料单元内的任何一个平面都符合Coulomb摩擦定律。完整的Mohr-Coulomb屈服准则可以用三个以主应力表示的屈服函数来定义。

在屈服函数中出现的两个塑性模型参数是摩擦角φ和内聚力c。这些屈服函数在主应力空间内就组成了一个六棱锥，见图2。

2.2 计算模型的建立与开挖过程模拟

取基坑临近隧道的剖面建立二维计算模型，水平方向60 m，竖向40 m，隧道外径为6.0 m，衬砌厚度0.5 m，地下连续墙墙长23.4 m，墙厚0.8 m，地下水埋深0.5 m，对水平低边界施加竖向变形约束，两侧边界施加水平变形约束。采用15节点三角形单元来进行土的应力变形分析，模型有限元网格划分见图3。

开挖工况依次为：1)冻结围护桩、支撑、隧道等结构单元，生成初始应力场；2)隧道内土方挖出，安装衬砌，消除初始应力场，激活地下连续墙；3)开挖第一层土方，并施工第一道支撑；4)开挖第二层土方，并架设第二道支撑；5)开挖第三层土方，并架设第三道支撑；6)基坑开挖到底。

数值模拟结果显示，基坑开挖到底后，地下连续墙最大位移值为16.3 mm，隧道最大位移值为4.5 mm，见图4～图6。

2.3 模拟模型的验证

为了评价基坑开挖对隧道及周围环境的影响，施工期间对围护结构、隧道等分别进行了全面的监测，本次模型剖面位置对应为CX11～CX15测斜点。图7为模拟计算范围内测斜点的实测值与数值模拟结果对比，其中基坑开挖到底后的计算值与8月份基坑实际开挖到底后实测值较为接近，二者吻合较好。随着时间积累，工程实测变形数据有持续增长，后期10月份实测值比数值模拟结果要大一些。图8为隧道各监测点累计变化曲线，各监测点累计变形值多集中在3.5 mm～5.0 mm范围内，数值模拟结果最大位移值为4.5 mm，与之较吻合。

3 计算设计参数影响分析

3.1 地墙插入比对围护墙及隧道位移影响分析

按上海市基坑工程规范，围护墙的插入深度需满足：整体稳定性、桩底抗隆起稳定性、坑底抗隆起稳定性、抗倾覆稳定性、抗管涌稳定性[1]。在满足规范的前提下，地下连续墙最小插入比(围护墙基坑以下插入深度与基坑开挖深度的比值)为1.1，本文分别计算了插入比1.1～1.7区间内连续墙侧向变形曲线及隧道位移，以归纳分析插入比对围护墙及隧道位移的影响规律。图9表明随着地下连续墙的插入比增加，地墙最大侧向位移减小，插入比在1.1～1.5范围内时，地墙位移减小效果较明显，但当插入比达到1.5后，地墙位移减小效果并不明显；图10表明随着地下连续墙的插入比增加，隧道最大位移减小，但整体而言，这种减小效果并不明显，地墙插入比从1.1增大至1.7，墙长从22.3 m增加了55%，但隧道最大位移仅仅减少了0.5 mm，这并不经济。

3.2 被动区加固宽度的影响分析

对环境保护要求较高的基坑，可以采取增加坑底被动区加固来减少围护桩变形，坑底面以下加固体深度一般不宜小于4.0 m，加固体宽度可取基坑深度的0.5倍～1.0倍[1]。本文对比分析了不同被动区加固宽度对围护墙及隧道位移的影响，加固体深度取坑底以下4.0 m，取加固区域模量为未加固区域的2倍(较常采用的基坑加固方式加固后压缩模量提高约1.5倍～2.0倍[5])。计算了坑底加固宽度分别为0 m,4.0 m,6.0 m,8.0 m,10.0 m,12.0 m时，连续墙侧向变形曲线及隧道位移。图11表明随着被动区加固宽度的增加，地墙最大侧向位移减小，尤其是从无被动区加固到有加固，对于减小地墙位移有明显效果。图12表明随着被动区加固宽度的增加，隧道最大位移减小，这种减小效果比较明显，这说明通过增加被动区加固，并适当提高被动区加固的宽度是保护隧道的有效手段。

4 结语

1)本文以实际工程为背景，通过有限元计算结果与工程现场监测实测结果的对比分析，表明二维数值模拟可以较好地模拟基坑开挖过程中地下连续墙的侧向变形及隧道变形规律。从基坑围护设计角度出发，分析了地下连续墙的插入比、被动区加固宽度对地连墙及隧道变形的影响，对于类似工程的基坑围护设计有一定的参考意义。

2)从地下连续墙的插入的影响比分析来看，地连墙长度在满足规范要求的前提下，再适当增加长度可减少地下的最大侧向变形及隧道的位移，但超过一定插入比后，并不经济。

3)从被动区加固宽度的影响分析来看，通过增加坑底被动区土体加固可以有效的减少地下的最大侧向变形及隧道的位移。

参考文献:

[1] 刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[2] Dolezalova M.Tunnel Complex Unloaded by a Deep Excavation[J].Computers and Geotechnics,2001,28(6-7):469-493.

[3] 李 平,刘汉龙,陈育民.基坑开挖中既有下穿地铁隧道隆起变形分析[J].解放军理工大学学报,2011,12(5):480-485.

[4] 姜兆华.基坑开挖时临近既有隧道的力学相应规律研究[D].重庆：重庆大学博士学位论文，2013.

[5] 秦爱芳,李永圃,陈有亮.上海地区基坑工程中的注浆加固研究[J].土木工程学报,2000,33(1):69-72.